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mos管mos管mos基础知识

信息来源:本站 日期:2017-06-15 

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mos管mos管mos基础知识

1.MOS管驱动

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用于需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动电路,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求:

1. 低压应用

当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be只有0.7V左右的压降,导致实际最终加载gate上的电压只有4.3V,这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

2. 宽电压应用

输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。

为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。

同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。

3. 双电压应用

在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。

这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2提到的问题。

在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出需求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。

这个电路提供了如下的特性:

1,用低端电压和PWM驱动高端MOS管。

2,用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。

3,gate电压的峰值限制

4,输入和输出的电流限制

5,通过使用合适的电阻,可以达到很低的功耗。

6,PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性,可以通过前置一个反相器来解决。


2.mos管的作用

MOS管,即在集成电路中绝缘性场效应管。MOS英文全称为金属-氧化物-半导体,描述了集成电路中的结构,即:在一定结构的半导体器件上,加上二氧化硅和金属,形成栅极。MOS管的source和drain是可以对调的,都是在P型backgate中形成的N型区。

MOS管可以用作可变电阻也可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。且场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。场效应管可以方便地用作恒流源也可以用作电子开关。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

在一般电子电路中,通常被用于放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中,MOSFET扮演的角色主要是判断电位,它在主板上常用“Q”加数字表示。

目前在主板或显卡上所采用的并不是太多,一般有10个左右,主要原因是大部分被整合到IC芯片中去了。由于主要是为配件提供稳定的电压,所以它一般使用在CPU、AGP插槽和内存插槽附近。其中在CPU与AGP插槽附近各安排一组MOS管,而内存插槽则共用了一组MOS管,一般是以两个组成一组的形式出现主板上的。

还有一个非常重要的性能参数。主要包括环境温度、管壳温度、贮成温度等。由于CPU频率的提高,MOS管需要承受的电流也随着增强,提供近百A的电流已经很常见了。



3.mos 管散热片

大功率逆变器MOS管,工作的时候,发热量非常大,如果MOS管散热效果不好,温度过高就可能导致MOS管的烧毁,进而可能导致整个电路板的损毁。传统大功率逆变器MOS管散热,大功率逆变器MOS管设置于电路板,同时散热器也设置于电路板,MOS管与散热器接触,当电路工作的时候,MOS管散发的热量由散热器迅速散发出去,如果在电路功率大的时候,MOS管的数量会比较多,按照目前这种MOS管散热结构,只能增加散热器和电路板的长度来供所有MOS管散热,这样就会增加机箱 的体积,同时这种散热结构,风量发散,散热效果不好。有些大功率逆变器MOS管会安装通风纸来散热,但是安装通风纸很麻烦。

所以MOS管对散热的要求很高,散热条件分为最低和最高,即在运行中的散热情况的上下浮动范围。一般在选购的时候通常采用最差的散热条件为标准,这样在使用的时候就可以留出最大的安全余量,即使在高温中也能确保系统的正常运行。

MOS管散热检测处理方式,下面两种是常用的方法。

1)多铺铜,增加散热过孔。

2)贴散热胶。通常采用散热器加导热硅胶的设计直接接触散热,如果MOS管外壳不能接地,可以采用绝缘垫片隔离后再用导热硅脂散热。也可以选用硅胶片,硅胶覆盖MOS管,除了散热还可以起到防止静电损坏的作用。

在上述两种方法中有一帖散热胶为较常用的方法,其中常用的散热材料包括导热硅脂、导热双面胶和导热硅胶片。导热硅脂俗称散热膏,导热硅脂以有机硅酮为主要原料,是一种高导热绝缘有机硅材料,几乎永远不固化,可在-50℃—+230℃的温度下长期保持使用。导热双面胶常用于LED等功率器件的散热,其导热系数通常大于1.5W/(M.K);导热硅胶片起到导热作用,在发热体与散热器件之间形成良好的导热通路,与散热片,结构固定件(风扇)等一起组成散热模组。为大功率MSO管加装散热片和导热硅胶片时,尽量减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci,同时也要保证导热效果。以Laird的导热硅胶片安装为例,安装时首先要保持与导热硅胶片接触面的干净,预防导热硅胶片黏上污秽,安装时可以采用撕去另一面保护膜,放入散热器,再撕去最后一面保护膜的方式安装,同时注意力度要小,避免拉伤或拉起导热硅胶片。


4.mos管测试仪

简易MOS管检测仪,包括电源、中间继电器、三个按键开关、MOS管固定支架、N沟道发光二极管、P沟道发光二极管和小灯负载,其中一个按键开关为金属材料,与MOS管栅极相连,另外两个按键开关并联连接,N沟道发光二极管和一个中间继电器串联连接组成N沟道检测电路;P沟道发光二极管和一个中间继电器串联连接组成P沟道检测电路,N沟道检测电路和P沟道检测电路并联连接。本实用新型的简易MOS管检测仪不但可以检测出MOS管的质量,还可以检测出MOS管的类型,具有结构简单和使用方便的优点。

主要指标:

1.测量VMOS管可同时显示:

1)通态电阻Ron 1~999mΩ (超过999 mΩ时,自动转为9.99Ω挡)

2)跨导Gfs 0~99.9S

3)开启电压Ut 1~7.5V

4)极间电容Cir 0.1~9.9 np

2.如果您需要,通过辅助功能键,还可以得到:

1)Cir 1% nP精度;

2)Ut 1%V 精度;

3)测量Ron时的: Ids(max A),Vds(min (V)

4)以及测量Ggs时:Ids(A),Vds(V),Vgs(V)

3.10位LED显示。

4.采用工业开关电源,可以在160V~230V 正常工作。

1)通态电阻Ron      0~999mΩ      精确到   1mΩ

2)超过999 mΩ时,自动转为9.99Ω挡

3)跨导Gfs          0~99.9S       精确到度10% S

4)开启电压Ut       0~8.0V        精确到   10% V

5)极间电容Cir      0~9.9 (np)      精确到   10% np

5. 还可以通过辅助功能键,还可以得到:

1)Cir 1% nP精度;Ut 1%V 精度;

2)测量Ron时的:Ids(max A),Vds(min V);

3)以及测量Ggs时:Ids(A),Vds(V),Vgs(V);


5.MOS管生产厂家

场效应管MOS管生产厂家KIA电子,专业生产从事各种大功率半导体器件与功率集成器件的设计,生产和销售。是中国大功率半导体器件的销售企业。且本公司产品广泛应用于遥控飞机,开关电源,移动数码,电动车,逆变器,节能灯,汽车消费类,LCD,HID,LED等。

MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和驱动的应用中,一般都用NMOS。

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,在MOS管原理图可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载,这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。

品质承诺:

KIA不断前进发展的核心基础,在专业于MOSFET器件领域的发展,KIA率先成功研最新型MOSFET系列产品。大幅度降低了产品的RDS(ON),在高温可靠性和稳定性方向有突破性表现——产品的相关测试数据标准等同欧美同类产品的转换效率,并率限将该类型产品在中国市场推出,强势引高端功率半导体技术抢占高端服务主体


6.MOS 管的引脚

MOS管是金属(Metal)—氧化物(Oxid)—半导体(Semiconductor)场效应晶体管。市面上常有的一般为N沟道和P沟道。N沟道的电源一般接在D,输出S,P沟道的电源一般接在S,输出D。

MOS管的特性;

MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于Sio2绝缘层的存在,在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在,电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小,控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论:

1) MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件,所以是电压器件。

2) MOS管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高。


7.MOS管驱动芯片

现有的很多小信号放大电路都是由晶体管或MOS管的放大电路构成,其功率有限,不能把电路的功率做得很大。随着现代逆变技术的逐步成熟,尤其是SPWM逆变技术,使信号波形能够很好地在输出端重现,并且可以做到高电压,大电流,大功率。SPWM技术的实现方法有两种,一种是采用模拟集成电路完成正弦调制波与三角波载波的比较,产生SPWM信号;另一种是采用数字方法。随着应用的深入和集成技术的发展,已商品化的专用集成电路(ASIC)和专用单片机(8X196/MC/MD/MH)以及DSP,可以使控制电路结构简化,集成度高。由于数字芯片一般价格比较高,所以在此采用模拟集成电路。主电路采用全桥逆变结构,SPWM波的产生采用UC3637双PWM控制芯片,并采用公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110,从而减小了装置的体积,降低了成本,提高了系统的可靠性。经本电路放大后,信号可达3kV,并保持了良好的输出波形。

三角波产生电路

具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器,既可以作为一般的快速运放,亦可作为反馈补偿运放。UC3637实现其主要功能的就是两个PWM比较器,实现电路如图3所示。其他还有如欠压封锁,2.5V阈值控制等功能,这些功能在应用电路中也给予实现。

三角波参数按式(1)及式(2)计算。

Is=(1)

f=(2)

式中:VTH为三角波峰值的转折(阈值)电压;

Vs为电源电压;

RT为定时电阻;

CT为定时电容;

Is为恒流充电电流;

f为振荡频率。


8.MOS管的三个极

MOS驱动器主要起波形整形和加强驱动的作用:如果MOS管的G信号波形不够陡峭,在点评切换阶段会造成大量电能损耗其副作用是降低电路转换效率,MOS管发热严重,易热损坏MOS管GS间存在一定电容,如果G信号驱动能力不够,将严重影响波形跳变的时间.

1.判定栅极G

将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大,并且交换表笔后仍为无穷大,则证明此脚为G极,因为它和另外两个管脚是绝缘的。

2.判定源极S、漏极D

在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极。

3.测量漏-源通态电阻RDS(on)

将G-S极短路,选择万用表的R×1档,黑表笔接S极,红表笔接D极,阻值应为几欧至十几欧。

由于测试条件不同,测出的RDS(on)值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管,RDS(on)=3.2W,大于0.58W(典型值)。

测试步骤:

MOS管的检测主要是判断MOS管漏电、短路、断路、放大。其步骤如下:

1、把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,好的表针指示应该是无穷大。如果有阻值没被测MOS管有漏电现象。 2、用一只100KΩ-200KΩ的电阻连在栅极和漏极上,然后把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,这时表针指示的值一般是0,这时是下电荷通过这个电阻对MOS管的栅极充电,产生栅极电场,由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通,故万用表指针偏转,偏转的角度大,放电性越好。

3、把连接栅极和源极的电阻移开,万用表红黑笔不变,如果移开电阻后表针慢慢逐步退回到高阻或无穷大,则MOS管漏电,不变则完好 4、然后一根导线把MOS管的栅极和源极连接起来,如果指针立即返回无穷大,则MOS完好。



9.mos管工作原理:

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比(beta)。另一种晶体管,叫做场效应管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。分别为电流控制器件和电压控制器件。FET的增益等于它的跨导(transconductance)gm, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。

mos管的工作原理(以N沟道增强型mos场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时,通过工艺使绝缘层中出现大量正离子,故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷,这些负电荷把高渗杂质的N区接通,形成了导电沟道,即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时,沟道内被感应的电荷量也改变,导电沟道的宽窄也随之而变,因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。现在的MOS驱动,有几个特别的需求,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

mos管—失效的6大原因

mos管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

目前在市场应用方面,排名第一的是消费类电子电源适配器产品。而mos管的应用领域排名第二的是计算机主板、NB、计算机类适配器、LCD显示器等产品,随着国情的发展计算机主板、计算机类适配器、LCD显示器对mos管的需求有要超过消费类电子电源适配器的现象了。

第三的就属网络通信、工业控制、汽车电子以及电力设备领域了,这些产品对于mos管的需求也是很大的,特别是现在汽车电子对于mos管的需求直追消费类电子了。

详解mos管原理及几种常见失效分析

下面对mos失效的原因总结以下六点,然后对1,2重点进行分析:

1:雪崩失效(电压失效),也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过mosFET的额定电压,并且超过达到了一定的能力从而导致mosFET失效。

2:SOA失效(电流失效),既超出mosFET安全工作区引起失效,分为Id超出器件规格失效以及Id过大,损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。

3:体二极管失效:在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中,由于体二极管遭受破坏而导致的失效。

4:谐振失效:在并联使用的过程中,栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。

5:静电失效:在秋冬季节,由于人体及设备静电而导致的器件失效。

6:栅极电压失效:由于栅极遭受异常电压尖峰,而导致栅极栅氧层失效。


10.mos管符号

MOS管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

电路符号

常用于MOSFET的电路符号有很多种变化,最常见的设计是以一条直线代表通道,两条和通道垂直的线代表源极与漏极,左方和通道平行而且较短的线代表栅极,如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替,以区分增强型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗尽型MOSFET(depletion mode MOSFET)。

由于集成电路芯片上的MOSFET为四端元件,所以除了栅极、源极、漏极外,尚有一基极(Bulk或是Body)。MOSFET电路符号中,从通道往右延伸的箭号方向则可表示此元件为N型或是P型的MOSFET。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从通道指向基极端的为P型的MOSFET,或简称PMOS(代表此元件的通道为P型);反之若箭头从基极指向通道,则代表基极为P型,而通道为N型,此元件为N型的MOSFET,简称NMOS。在一般分布式MOSFET元件(discrete device)中,通常把基极和源极接在一起,故分布式MOSFET通常为三端元件。而在集成电路中的MOSFET通常因为使用同一个基极(common bulk),所以不标示出基极的极性,而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。

MOS管的使用优势

MOS管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用MOS管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。

MOS管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件。有些MOS管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多MOS管集成在一块硅片上,因此MOS管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。


11.MOSFET的封装形式

封装技术也直接影响到芯片的性能和品质,对同样的芯片以不同形式的封装,也能提高芯片的性能。所以芯片的封装技术是非常重要的。

以安装在PCB的方式区分,功率MOSFET的封装形式有插入式(Through Hole)和表面贴装式(Surface Mount)二大类。插入式就是MOSFET的管脚穿过PCB的安装孔焊接在PCB上。表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB表面的焊盘上。

常见的直插式封装如双列直插式封装(DIP),晶体管外形封装(TO),插针网格阵列封装(PGA)等。

典型的表面贴装式如晶体管外形封装(D-PAK),小外形晶体管封装(SOT),小外形封装(SOP),方形扁平封装(QFP),塑封有引线芯片载体(PLCC)等等。

电脑主板一般不采用直插式封装的MOSFET,本文不讨论直插式封装的MOSFET。

一般来说,“芯片封装”有2层含义,一个是封装外形规格,一个是封装技术。对于封装外形规格来说,国际上有芯片封装标准,规定了统一的封装形状和尺寸。封装技术是芯片厂商采用的封装材料和技术工艺,各芯片厂商都有各自的技术,并为自己的技术注册商标名称,所以有些封装技术的商标名称不同,但其技术形式基本相同。我们先从标准的封装外形规格说起。

标准封装规格TO封装

TO(TransistorOut-line)的中文意思是“晶体管外形”。这是早期的封装规格,例如TO-92,TO-92L,TO-220,TO-252等等都是插入式封装设计。近年来表面贴装市场需求量增大,TO封装也进展到表面贴装式封装。

TO252和TO263就是表面贴装封装。其中TO-252又称之为D-PAK,TO-263又称之为D2PAK。

D-PAK封装的MOSFET有3个电极,栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。其中漏极(D)的引脚被剪断不用,而是使用背面的散热板作漏极(D),直接焊接在PCB上,一方面用于输出大电流,一方面通过PCB散热。所以PCB的D-PAK焊盘有三处,漏极(D)焊盘较大。

SOT封装

SOT(Small Out-Line Transistor)小外形晶体管封装。这种封装就是贴片型小功率晶体管封装,比TO封装体积小,一般用于小功率MOSFET。常见的规格如上。

主板上常用四端引脚的SOT-89 MOSFET。

SOP封装

SOP(Small Out-Line Package)的中文意思是“小外形封装”。SOP是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。SOP也叫SOL和DFP。SOP封装标准有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等等,SOP后面的数字表示引脚数。MOSFET的SOP封装多数采用SOP-8规格,业界往往把“P”省略,叫SO(Small Out-Line )。

SO-8采用塑料封装,没有散热底板,散热不良,一般用于小功率MOSFET。

SO-8是PHILIP公司首先开发的,以后逐渐派生出TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、 SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)等标准规格。




12.mos管工作原理及详解

1,MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载,这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。

2,MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

3,MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4,MOS管驱动

跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

5,MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求。1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。



13.MOS管引脚定义

MOS管是金属(metal)-氧化物(oxid)-半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属-绝缘体(insulator)-半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

MOS管如何快速判断其好坏及引脚功能

1  用10K档,内有15伏电池。可提供导通电压。

2  因为栅极等效于电容,与任何脚不通,不论N管或P管都很容易找出栅极来,否则是坏管。

3  利用表笔对栅源间正向或反向充电,可使漏源通或断,且由于栅极上电荷能保持,上述两步可分先后,不必同步,方便。但要放电时需短路管脚或反充。

4  大都源漏间有反并二极管,应注意,及帮助判断。

5  大都封庄为字面对自已时,左栅中漏右源。

以上前三点必需掌握,后两点灵活运用,很快就能判管脚,分好坏。

如果对新拿到的不明MOS管,可以通过测定来判断脚极,只有准确判定脚的排列,才能正确使用。

管脚测定方法:

①栅极G的测定:用万用表R×100 档,测任意两脚之间正反向电阻,若其中某次测得电阻为数百Ω),该两脚是D、S,第三脚为G。

②漏极D、源极S及类型判定:用万用表 R ×10kΩ档测 D、S问正反向电阻,正向电阻约为0.2 ×10kΩ,反向电阻(5一∞)X100kΩ。在测反向电阻时,红表笔不动,黑表笔脱离引脚后,与G碰一下,然后回去再接原引脚,出现两种情况:

a.若读数由原来较大值变为0(0×10kΩ),则红表笔所接为S,黑表笔为D。用黑表笔接触G有效,使MOS管D、S间正反向电阻值均为0Ω,还可证明该管为N沟道。

b.若读数仍为较大值,黑表笔不动,改用红表笔接触G,碰一下之后立即回到原脚,此时若读数为0Ω,则黑表笔接的是S极、红表笔为D极,用红表笔接触G极有效,该MOS管为P沟道。

MOS管的发热情况有:

1.电路设计的问题,就是让MOS管工作在线性的工作状态,而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关,G级电压要比电源高几V,才能完全导通,P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗,等效直流阻抗比较大,压降增大,所以U*I也增大,损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

2.频率太高,主要是有时过分追求体积,导致频率提高,MOS管上的损耗增大了,所以发热也加大了。

3.没有做好足够的散热设计,电流太高,MOS管标称的电流值,一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流,也可能发热严重,需要足够的辅助散热片。

4.MOS管的选型有误,对功率判断有误,MOS管内阻没有充分考虑,导致开关阻抗增大。



14.MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求,

1,低压应用

当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电

压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

2,宽电压应用

输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。

同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。

3,双电压应用

在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接,这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。

电路图如下:用于NMOS的驱动电路这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析:

Vl和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是Vl不应该超过Vh。

Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。

R2和R3提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。

Q3和Q4用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降,这个压降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。

R5和R6是反馈电阻,用于对gate电压进行采样,采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈,从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5和R6来调节。

最后,R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制,R4提供了对MOS管的gate电流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的时候可以在R4上面并联加速电容。

这个电路提供了如下的特性:

1,用低端电压和PWM驱动高端MOS管。

2,用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。

3,gate电压的峰值限制

4,输入和输出的电流限制

5,通过使用合适的电阻,可以达到很低的功耗。

6,PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性,可以通过前置一个反相器来解决。


15.mos 管在电源中的作用

MOS即MOSFET全称金属氧化膜绝缘栅型场效应管,有门极Gate,源极Source,漏极Drain.通过给Gate加电压产生电场控制S/D之间的沟道电子或者空穴密度(或者说沟道宽度)来改变S/D之间的阻抗。这是一种简单好用,接近理想的电压控制电流源电晶体它具以下特点:开关速度快、高频率性能好,输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、全工作区宽、工作线性度高等等,其最重要的优点就是能够减少体积大小与重量,提供给设计者一种高速度、高功率、高电压、与高增益的元件。在各類中小功率开关电路中应用极为广泛。

MOS又分为兩种,一种为耗尽型(DepletionMOS),另一种为增强型(EnhancementMOS)。这兩种型态的结构没有太大的差異,只是耗尽型MOS一开始在Drain-Source的通道上就有载子,所以即使在VGS为零的情况下,耗尽型MOS仍可以导通的。而增强型MOS则必须在其VGS大於某一特定值才能导通。

开关电源中的MOS管  现在让我们考虑开关电源应用,以及这种应用如何需要从一个不同的角度来审视数据手册。从定义上而言,这种应用需要MOS管定期导通和关断。同时,有数十种拓扑可用于开关电源,这里考虑一个简单的例子。DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能(图2),这些开关交替在电感里存储能量,然后把能量释放给负载。目前,设计人员常常选择数百kHz乃至1 MHz以上的频率,因为频率越高,磁性元件可以更小更轻。

图2:用于开关电源应用的MOS管对。(DC-DC控制器)

显然,电源设计相当复杂,而且也没有一个简单的公式可用于MOS管的评估。但我们不妨考虑一些关键的参数,以及这些参数为什么至关重要。传统上,许多电源设计人员都采用一个综合品质因数(栅极电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评估MOS管或对之进行等级划分。

栅极电荷和导通阻抗之所以重要,是因为二者都对电源的效率有直接的影响。对效率有影响的损耗主要分为两种形式--传导损耗和开关损耗。

栅极电荷是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷单位为纳库仑(nc),是MOS管栅极充电放电所需的能量。栅极电荷和导通阻抗RDS(ON) 在半导体设计和制造工艺中相互关联,一般来说,器件的栅极电荷值较低,其导通阻抗参数就稍高。

开关电源中第二重要的MOS管参数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。

某些特殊的拓扑也会改变不同MOS管参数的相关品质,例如,可以把传统的同步降压转换器与谐振转换器做比较。谐振转换器只在VDS (漏源电压)或ID (漏极电流)过零时才进行MOS管开关,从而可把开关损耗降至最低。这些技术被成为软开关或零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)技术。由于开关损耗被最小化,RDS(ON) 在这类拓扑中显得更加重要。

低输出电容(COSS)值对这两类转换器都大有好处。谐振转换器中的谐振电路主要由变压器的漏电感与COSS决定。此外,在两个MOS管关断的死区时间内,谐振电路必须低输出电容也有利于传统的降压转换器(有时又称为硬开关转换器),不过原因不同。因为每个硬开关周期存储在输出电容中的能量会丢失,反之在谐振转换器中能量反复循环。因此,低输出电容对于同步降压调节器的低边开关尤其重要。


16.n沟道mos管

(1)vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出,增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时,即使加上漏——源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏——源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴:使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。吸引电子:将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。

(2)导电沟道的形成:当vGS数值较

N沟MOS晶体管

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管,有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路,而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。

N沟道增强型MOS管的结构

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反,如图(c)所示。


由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管,该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压,且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压(栅源电压为零)时,就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路,NMOS集成电路的输入阻抗很高,基本上不需要吸收电流,因此,CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。NMOS集成电路大多采用单组正电源供电,并且以5V为多。CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源,就可与NMOS集成电路直接连接。不过,从NMOS到CMOS直接连接时,由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平,因而需要使用一个(电位)上拉电阻R,R的取值一般选用2~100KΩ。



17.大功率MOS管

MOS管功放具有鼓励功率小,输出功率大,输出漏极电流具有负温度系数,安全可靠,且有作业频率高,偏置简略等优点。以运放的输出作为OCL的输入,到达按捺零点漂移的效果。

MOS管驱动电路,驱动电路包含MOS管主驱动电路和欠压维护电路。MOS管主驱动电路的输出端与MOS管的栅极电衔接,输入端接单片机脉宽调制输入信号。欠压维护电路衔接在MOS管主驱动电路的输入端,包含对比器、电阻R1、R2和稳压二极管D2;电阻R2和对比器的输入端并联再与电阻R1串联在MOS管主驱动电路的驱动电源和电源地之间;对比器的输出端串联稳压二极管D2。本实用新型的欠压维护电路将驱动电源电压经电阻分压后的电压与设定的基准电压对比,假如低于基准电压,欠压维护驱动电路当即堵截MOS管驱动电路,有用避免MOS管进入线性区所形成的功率器材功率低及易损坏等不良后果。

电路供给了如下的特性:

1,用低端电压和PWM驱动高端MOS管。

2,用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。

3,gate电压的峰值约束

4,输入和输出的电流约束

5,经过使用适宜的电阻,能够到达很低的功耗。

6,PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性,能够经过前置一个反相器来处理。




18.功率mos管主要参数

这些参数是 MOSFET 在关断状态能承受过压能力的指标.如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态.

雪崩击穿特性参数

EAS :单次脉冲雪崩击穿能量.这是个极限参数,说明 MOSFET 所能承受的最大雪崩击穿能量.

IAR :雪崩电流.

EAR :重复雪崩击穿能量.

5 热阻

结点到外壳的热阻.它表明当耗散一个给定的功率时,结温与外壳温度之间的差值大小.公式表达⊿ t = PD*  .

外壳到散热器的热阻,意义同上.

结点到周围环境的热阻,意义同上.

6 体内二极管参数

IS :连续最大续流电流(从源极).

ISM :脉冲最大续流电流(从源极).

VSD :正向导通压降.

Trr :反向恢复时间.

Qrr :反向恢复充电电量.

Ton :正向导通时间.(基本可以忽略不计).

7、一些其他的参数:

Iar:    雪崩电流

Ear:     重复雪崩击穿能量

Eas:     单次脉冲雪崩击穿能量

di/dt---电流上升率(外电路参数)

dv/dt---电压上升率(外电路参数)

ID(on)---通态漏极电流

IDQ---静态漏极电流(射频功率管)

IDS---漏源电流

IDSM---最大漏源电流

IDSS---栅-源短路时,漏极电流

IDS(sat)---沟道饱和电流(漏源饱和电流)

IG---栅极电流(直流)

IGF---正向栅电流

IGR---反向栅电流

IGDO---源极开路时,截止栅电流

IGSO---漏极开路时,截止栅电流

IGM---栅极脉冲电流

IGP---栅极峰值电流

IF---二极管正向电流

IGSS---漏极短路时截止栅电流

IDSS1---对管第一管漏源饱和电流

IDSS2---对管第二管漏源饱和电流

Iu---衬底电流

Ipr---电流脉冲峰值(外电路参数)

gfs---正向跨导

Gp---功率增益

Gps---共源极中和高频功率增益

GpG---共栅极中和高频功率增益

GPD---共漏极中和高频功率增益

ggd---栅漏电导

gds---漏源电导

K---失调电压温度系数

Ku---传输系数

L---负载电感(外电路参数)

LD---漏极电感

Ls---源极电感

rDS---漏源电阻

rDS(on)---漏源通态电阻

rDS(of)---漏源断态电阻

rGD---栅漏电阻

rGS---栅源电阻

Rg---栅极外接电阻(外电路参数)

RL---负载电阻(外电路参数)

R(th)jc---结壳热阻

R(th)ja---结环热阻

PD---漏极耗散功率

PDM---漏极最大允许耗散功率

PIN--输入功率

POUT---输出功率

PPK---脉冲功率峰值(外电路参数)

Tj---结温

Tjm---最大允许结温

Ta---环境温度

Tc---管壳温度

Tstg---贮成温度

VGSF--正向栅源电压(直流)

VGSR---反向栅源电压(直流)

VDD---漏极(直流)电源电压(外电路参数)

VGG---栅极(直流)电源电压(外电路参数)

Vss---源极(直流)电源电压(外电路参数)

V(BR)GSS---漏源短路时栅源击穿电压

VDS(on)---漏源通态电压

VDS(sat)---漏源饱和电压

VGD---栅漏电压(直流)

Vsu---源衬底电压(直流)

VDu---漏衬底电压(直流)

VGu---栅衬底电压(直流)

Zo---驱动源内阻

η---漏极效率(射频功率管)

Vn---噪声电压

aID---漏极电流温度系数

ards---漏源电阻温度系数

1 极限参数:

ID :最大漏源电流.是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过 ID .此参数会随结温度的上升而有所减额.

IDM:最大脉冲漏源电流.体现一个抗冲击能力,跟脉冲时间也有关系,此参数会随结温度的上升而有所减额.

PD:最大耗散功率.是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM 并留有一定余量.此参数一般会随结温度的上升而有所减额.(此参数靠不住)

VGS :最大栅源电压.,一般为:-20V~+20V

Tj :最大工作结温.通常为 150 ℃或 175 ℃ ,器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度,并留有一定裕量. (此参数靠不住)

TSTG :存储温度范围.

2 静态参数

V(BR)DSS :漏源击穿电压.是指栅源电压 VGS 为 0 时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS . 它具有正温度特性.故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑. 加负压更好。

△V(BR)DSS/ △ Tj :漏源击穿电压的温度系数,一般为0.1V/ ℃.

RDS(on) :在特定的 VGS (一般为 10V )、结温及漏极电流的条件下, MOSFET 导通时漏源间的最大阻抗.它是一个非常重要的参数,决定了MOSFET 导通时的消耗功率.此参数一般会随结温度的上升而有所增大(正温度特性). 故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算.

VGS(th) :开启电压(阀值电压).当外加栅极控制电压 VGS超过VGS(th) 时,漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道.应用中,常将漏极短接条件下 ID 等于毫安时的栅极电压称为开启电压.此参数一般会随结温度的上升而有所降低.

IDSS :饱和漏源电流,栅极电压 VGS=0 、 VDS 为一定值时的漏源电流.一般在微安级.

IGSS :栅源驱动电流或反向电流.由于 MOSFET 输入阻抗很大,IGSS 一般在纳安级.

3 动态参数

gfs :跨导.是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比,是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度. gfs 与 VGS 的转移关系图如下图所示.

Qg :栅极总充电电量.MOSFET 是电压型驱动器件,驱动的过程就是栅极电压的建立过程,这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的,下面将有此方面的详细论述.

Qgs:栅源充电电量.

Qgd :栅漏充电(考虑到 Miller 效应)电量.

Td(on) :导通延迟时间.从有输入电压上升到 10% 开始到 VDS 下降到其幅值90%的时间.

Tr :上升时间.输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间.

Td(off) :关断延迟时间.输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间.

Tf :下降时间.输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间.

Ciss:输入电容 Ciss= CGD + CGS ( CDS 短路).

Coss:输出电容 Coss = CDS +CGD .

Crss:反向传输电容 Crss = CGD .



19.

驱动电压Vod=Vgs-Vth。可以理解为:超过驱动门限(Vth)的剩余电压大小。

1)只有在你的过驱动电压“大于零”的情况下,沟道才会形成,MOS管才会工作。也就是说,能够使用过驱动电压来判断晶体管是否导通。

2)沟道电荷多少直接与过驱动电压二次方成正比。也就是说,能够使用过驱动电压来计算饱和区的电流。

3)如果能够更加深入理解的话,可以领悟到过驱动电压不单单适用于指代Vgs,也适用于指代Vgd。即

Vod1=Vgs-Vth;

Vod2=Vds-Vth;

如果两种Vod都大于零,说明晶体管沟道全开,也就是处于线性区。只有一种Vod大于零,说明晶体管沟道半开(在DS任意一端没打开有夹断),也就是处于饱和区。

第一种:

可以使用如下公式估算:

Ig=Qg/Ton

其中:

Ton=t3-t0≈td(on)+tr

td(on):MOS导通延迟时间,从有驶入电压上升到10%开始到VDS下降到其幅值90%的时间。

Tr:上升时间。输出电压VDS从90%下降到其幅值10%的时间

Qg=(CEI)(VGS)或Qg=Qgs+Qgd+Qod (可在datasheet中找到)

第二种:(第一种的变形)

密勒效应时间(开关时间)Ton/off=Qgd/Ig;

Ig=[Vb-Vgs(th)]/Rg;

Ig:MOS栅极驱动电流;Vb:稳态栅极驱动电压;




20.MOS管跨导主要作用

金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effecttransistor)。MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型”的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

(1)用测电阻法判别结型场效应管的电极

根据场效应管的PN结正、反向电阻值不一样的现象,可以判别出结型场效应管的三个电极。具体方法:将万用表拨在R×1k档上,任选两个电极,分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正、反向电阻值相等,且为几千欧姆时,则该两个电极分别是漏极D和源极S。因为对结型场效应管而言,漏极和源极可互换,剩下的电极肯定是栅极G。也可以将万用表的黑表笔(红表笔也行)任意接触一个电极,另一只表笔依次去接触其余的两个电极,测其电阻值。当出现两次测得的电阻值近似相等时,则黑表笔所接触的电极为栅极,其余两电极分别为漏极和源极。若两次测出的电阻值均很大,说明是PN结的反向,即都是反向电阻,可以判定是N沟道场效应管,且黑表笔接的是栅极;若两次测出的电阻值均很小,说明是正向PN结,即是正向电阻,判定为P沟道场效应管,黑表笔接的也是栅极。若不出现上述情况,可以调换黑、红表笔按上述方法进行测试,直到判别出栅极为止。

(2)用测电阻法判别场效应管的好坏

测电阻法是用万用表测量场效应管的源极与漏极、栅极与源极、栅极与漏极、栅极G1与栅极G2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符去判别管的好坏。具体方法:首先将万用表置于R×10或R×100档,测量源极S与漏极D之间的电阻,通常在几十欧到几千欧范围(在手册中可知,各种不同型号的管,其电阻值是各不相同的),如果测得阻值大于正常值,可能是由于内部接触不良;如果测得阻值是无穷大,可能是内部断极。然后把万用表置于R×10k档,再测栅极G1与G2之间、栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻值,当测得其各项电阻值均为无穷大,则说明管是正常的;若测得上述各阻值太小或为通路,则说明管是坏的。要注意,若两个栅极在管内断极,可用元件代换法进行检测。

(3)用感应信号输人法估测场效应管的放大能力

具体方法:用万用表电阻的R×100档,红表笔接源极S,黑表笔接漏极D,给场效应管加上1.5V的电源电压,此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的栅极G,将人体的感应电压信号加到栅极上。这样,由于管的放大作用,漏源电压VDS和漏极电流Ib都要发生变化,也就是漏源极间电阻发生了变化,由此可以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小,说明管的放大能力较差;表针摆动较大,表明管的放大能力大;若表针不动,说明管是坏的。

根据上述方法,用万用表的R×100档,测结型场效应管3DJ2F。先将管的G极开路,测得漏源电阻RDS为600Ω,用手捏住G极后,表针向左摆动,指示的电阻RDS为12kΩ,表针摆动的幅度较大,说明该管是好的,并有较大的放大能力。

运用这种方法时要说明几点:首先,在测试场效应管用手捏住栅极时,万用表针可能向右摆动(电阻值减小),也可能向左摆动(电阻值增加)。这是由于人体感应的交流电压较高,而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同(或者工作在饱和区或者在不饱和区)所致,试验表明,多数管的RDS增大,即表针向左摆动;少数管的RDS减小,使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何,只要表针摆动幅度较大,就说明管有较大的放大能力。第二,此方法对MOS场效应管也适用。但要注意,MOS场效应管的输人电阻高,栅极G允许的感应电压不应过高,所以不要直接用手去捏栅极,必须用于握螺丝刀的绝缘柄,用金属杆去碰触栅极,以防止人体感应电荷直接加到栅极,引起栅极击穿。第三,每次测量完毕,应当G-S极间短路一下。这是因为G-S结电容上会充有少量电荷,建立起VGS电压,造成再进行测量时表针可能不动,只有将G-S极间电荷短路放掉才行。

(4)用测电阻法判别无标志的场效应管

场效应管的工作原理

首先用测量电阻的方法找出两个有电阻值的管脚,也就是源极S和漏极D,余下两个脚为第一栅极G1和第二栅极G2。把先用两表笔测的源极S与漏极D之间的电阻值记下来,对调表笔再测量一次,把其测得电阻值记下来,两次测得阻值较大的一次,黑表笔所接的电极为漏极D;红表笔所接的为源极S。用这种方法判别出来的S、D极,还可以用估测其管的放大能力的方法进行验证,即放大能力大的黑表笔所接的是D极;红表笔所接地是8极,两种方法检测结果均应一样。当确定了漏极D、源极S的位置后,按D、S的对应位置装人电路,一般G1、G2也会依次对准位置,这就确定了两个栅极G1、G2的位置,从而就确定了D、S、G1、G2管脚的顺序。

(5)用测反向电阻值的变化判断跨导的大小

对VMOSV沟道增强型场效应管测量跨导性能时,可用红表笔接源极S、黑表笔接漏极D,这就相当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的,管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档,此时表内电压较高。当用手接触栅极G时,会发现管的反向电阻值有明显地变化,其变化越大,说明管的跨导值越高;如果被测管的跨导很小,用此法测时,反向阻值变化不大。




21.耗尽型MOS管

据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。耗尽型是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。

当UDS>0时,将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0,则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。当UGS更负,达到某一数值时沟道消失,ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压,仍用UP表示。UGS

耗尽型MOS场效应管,是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,在UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道。

N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时,沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面,在D、S之间制造的,称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图1.(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性.

N沟道耗尽型MOS管和N沟道M1F60-6063增强型MOS管的结构基本相同。差别在于耗尽型MOS管的Si02绝缘层中掺有大量的正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺人负离子),故在UCs=0时,这些正离子产生的电场作用下,漏极一源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压UDS,就有电流。如果加上正的UCs,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小。增大。反之UCs为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大。减少。当UCS负向增加到某一数值时,导电沟道消失。趋于零,管子截止,故称为耗尽型。

N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。差别在于耗尽型MOS管的Si02绝缘层中掺有大量的正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺人负离子),故在UCs=0时,这些正离子产生的电场作用下,漏极一源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压UDS,就有电流。如果加上正的UCs,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的.




22.mos管驱动电路的作用

MOS又分为兩种,一种为耗尽型(DepletionMOS),另一种为增强型(EnhancementMOS)。这兩种型态的结构没有太大的差異,只是耗尽型MOS一开始在Drain-Source的通道上就有载子,所以即使在VGS为零的情况下,耗尽型MOS仍可以导通的。而增强型MOS则必须在其VGS大於某一特定值才能导通。

MOS管,即在集成电路中绝缘性场效应管。MOS英文全称为金属-氧化物-半导体,描述了集成电路中的结构,即:在一定结构的半导体器件上,加上二氧化硅和金属,形成栅极。MOS管的source和drain是可以对调的,都是在P型backgate中形成的N型区。

MOS管可以用作可变电阻也可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。且场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。场效应管可以方便地用作恒流源也可以用作电子开关。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。以下特点:开关速度快、高频率性能好,输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、全工作区宽、工作线性度高等等,其最重要的优点就是能够减少体积大小与重量,提供给设计者一种高速度、高功率、高电压、与高增益的元件。在各類中小功率开关电路中应用极为广泛。




23.MOS管驱动电路的作用

开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%"70%,而线性电源的效率只有30%"40%。因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

开关电源的三个重要发展阶段开关电源经历了三个重要发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有以下几种。

一是高频化。为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一。 三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。

2. 功率半导体器件性能 MOS管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600"800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体器件。 碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。 可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

3. 电磁兼容性 高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特殊性。功率半导体器件在开关过程中所产生的di/dt和dv/dt,将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰,以及强电磁场(通常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究,并取得了不少可喜成果。

4.高频磁性元件 电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。

5.全数字化控制 电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。全数字控制是发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用。 全数字控制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量,芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精确;可以实现快速,灵活的控制设计。 近两年来,高性能全数字控制芯片已经开发,费用也已降到比较合理的水平,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

6. 系统集成技术 电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。 实际上,在电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,可以使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。 上世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,出现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得到标准的,可制造的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性。

7.功率因数校正(PFC)变换器由于AC/DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6-0.65。采用功率因数校正(PFC)变换器,网侧功率因数可提高到0.95"0.99,输入电流THD<10%。既治理了对电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正(APFC),单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究发展。 一般高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。



24.MOS管分类

通信手持设备光源的应用主要体现在键盘灯、液晶屏幕背光和特殊照明三个方面,主要的发光器件是半导体发光二极管(LED),驱动芯片设计技术有低压差(LDO)稳压器、可调节(Regulator)稳压电源、电荷泵(Charge Pump)电源和超级电容(Super Capacitor)电源等不同形式。

半导体发光二极管(LED)是具有体积小、省电、长寿命和可靠性高的特点,被广泛应用在通信手持设备中的屏幕显示和信息传递提示。目前,LED正向高亮度、全彩色化、高性能、低成本的方面发展。

在设备中的屏幕背光是一个不可或缺的功能,由于屏幕本身有黑白屏幕和彩色屏幕之分,所以对光源的要求也不尽相同。用于黑白屏的LED完全可以和键盘灯拥有相同的电源驱动和颜色,但是对尺寸稍大的黑白屏幕而言,采用高亮度的LED从侧面给与光源,就会在屏幕上出现严重的光分布不均匀现象,因此人们又开发出了“电场致发光”(EL:ElectroLuminescence)背光,它的原理主要是通过在透明的有机底板或线形构造物体面涂上发光材料,两极接上交流电压而产生交流电场,当达到一定的临界值,被电场激发的电子碰撞发光层,导致电子能极的跳跃、变化、复合而发射出高效率冷光的一种物理现象。在实际应用中发现,EL发光柔和、均匀、不发热、耗电省,且厚度薄、重量轻、携带方便,但是价格昂贵。

在光源的三大模块中,键盘灯的应用方式相对固定,通常会使用4~10个LED,均用串联电阻的方式来限流,总体耗电相对较少。随着工作电压的不同,LED在颜色方面也经历几种变化,最早期LED发出的是黄绿色背光,芯片的驱动电压一般2.5V左右,而且黄绿色LED的GaP:N(LED的掺氮外延晶片)晶片的发光效率最高,发光带主峰在黄绿色591nm相对应的高强度。后来又出现了具有量子阱结构的高亮度InGaN产品,使LED可以发出绿色、蓝色、红色和紫色粉红等混合色,这也就是所谓“炫彩”手机所采用的光源。这类LED的驱动电压要高一些,通常在3.8~4.1V之间,如果LED的数量相同,这些颜色灯比黄绿色灯的功耗要高一些。现在大多数的键盘灯都采用高亮度的白色LED,也有些出于成本的考虑使用较便宜的黄绿色LED。

当LCD出现彩色屏幕以后,对光源主要需求是白光,这是由彩色LCD屏幕的光学结构决定的,原因是要形成最终看到的图像必须借助偏光片使白光均匀分布并定向发射以后,再通过可以形成彩色图案的液晶胶片,如果是其他颜色的光就无法让具有RGB单元的液晶胶片准确显示图形的颜色。所需要的LED数量视屏幕大小和亮度要求而定,一般是4~8个,而且为了获得比较一致和均匀的光输出效果,这些白光LED常用串联方式连接,因此就必须提供能使它们一起工作在足够亮度电流的驱动电压。

特殊照明需求主要包括:多彩LED指示灯、手电筒功能和拍照闪光灯。

手电筒和拍照闪光灯是目前有百万以上像素照相机的手机所带有的新功能,由白光LED提供强光源,而且随着手机内部存储容量(SD卡、T-Flash卡等)的不断扩大和与PC的数据共享,以及网络间数据传输MMS的流行(EGPRS/3G),用户对所拍摄照片质量的期望越来越高,要求能在光线比较暗的地方能提供闪光灯。手电筒功能事实上是拍照闪光灯的附属功能,可以与拍照闪光灯共享硬件资源。最早出现的拍照闪光灯算不上真正的闪光灯,因为在使用时需要软件预先打开灯光,没有可供同步拍照过程的编程接口;其次,它的LED大约200mA工作电流所产生的亮度很低,且仅在半米范围内起着有限的作用,也就是说手电筒功能是闪光灯连续工作在小电流模式的状况。同理,LCD背光和键盘背光均可以被纳入到一个整体的应用方案中来得到解决。

多彩LED指示灯是介于彩色屏幕出现以后和手机相机出现之前这段时间的过渡产品。它主要是通过控制R、G、B三个不同的LED芯片的发光时间长短,来混合产生不同的光学效果。但它用在手持设备中很失败,主要是因为如果为了达到“炫彩”的效果,一旦让多彩LED指示灯工作起来,系统就无法进入深度睡眠状态,这对系统的软硬件资源消耗也很大,加上LED的功耗较大,造成待机时间短而显得得不偿失。

所以,只要有大功率、高亮度的光源驱动就能完全解决手持设备的光源需求




25.MOS管驱动电路的作用

电源技术是一种应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展,电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算化、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。

6、电源设备的标准规范

电源设备要进入市场,今天的市场已是超越局域融费全球的一体化市场,必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则,电源设备要接受安全、 EMC、环境、质量体系等多种标准规范的论证。

3、新器件、新材料的支撑

晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件,装备厂现代电源技术、促进电源产品升级换代。并正在研究开发砷化镓(GaAs)、半导体金刚石、碳化硅(SiC)半导体材料。

1、高频变换是电源技术发展的主流

电源技术的精髓是电能变换。利用电能变换技术,将市电或电池等一次电源变换成适合各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位,从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达兆赫兹的高频开关电源,为高频变换提供了物质基础,促进了电源技术的发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗,电源装置小型化,提高功率密度,加快系统的功态响应,进一步提高电源装置的效率,有效抑制环境噪声污染,并使电源进入更广泛的领域,特别是高新技术领域,进一步扩展了它的应用范围。

5、电源电路的模块化、集成化

单片电源和模块电源取代整机电源,功率集成技术简化了电源的结构,已经在通讯、电力获得广泛应用,并且派生出新的供电体制――分布式供电,使集中供电单一体制走向多元化。电路集成的进一步发展是做系统集成,将信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起,增加了可靠性。

4、控制的智能化

控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。数字信号处理器DSP的采用,实现控制全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式,达到了较高的智能化程度,并且进一步提高电源装置的可靠性。

2、新理论、新技术的指导

单管降压、升压电路、谐振变换、移相谐振、软开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;计算机辅助设计(CAD)、功率因数校正、有源箍位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、  遥感遥控、微机监控等新技术,指导厂电源技术的发展。

三、电源管理应用

电源管理集成电路包括很多种类别,大致又分成电压调整和接口电路两方面。电压凋整器包含线性低压降稳压器(即LOD),以及正、负输出系列电路,此外不有脉宽调制(PWM)型的开关型电路等。因技术进步,集成电路芯片内数字电路的物理尺寸越来越小,因而工作电源向低电压发展,一系列新型电压调整器应运而生。电源管理用接口电路主要有接口驱动器、功率场效应晶体管(MOSFET)驱动器以及高电压/大电流的显示驱动器等等。

电源管理分立式半导体器件则包括一些传统的功率半导体器件,可将它分为两大类,一类包含整流器和晶闸管;另一类是三极管型,包含功率双极性晶体管,含有MOS结构的功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。在某种程度上来说,正是因为电源管理IC的大量发展,功率半导体才改称为电源管理半导体。也正是因为这么多的集成电路IC进入电源领域,人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。

2、电源管理IC分类

电源管理半导体本中的主导部分是电源管理IC,大致可归纳为下述8种。

2.1、AC/DC调制IC。内含低电压控制电路及高压开关晶体管。

2.2、 DC/DC调制IC。包括升压/降压调节器,以及电荷泵。

2.3、功率因数控制PFC预调制 IC。提供具有功率因数校正功能的电源输入电路。

2.4、脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC。为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器,用于驱动外部开关。

2.5、线性调制IC(如线性低压降稳压器LDO等)。包括正向和负向调节器,以及低压降LDO调制管。

2.6、电池充电和管理IC。包括电池充电、保护及电量显示IC,以及可进行电池数据通讯“智能”电池 IC。

2.7、 热插板控制IC(免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响)。

2.8、MOSFET或IGBT的驱动 IC。

在这些电源管理IC中,电压调节IC是发展最快、产量最大的一部分。各种电源管理IC基本上和一些相关的应用相联系,所以针对不同应用,还可以列出更多类型的器件。

3、电源管理的技术趋势

电源管理的技术趋势是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及两个不同方面的内容:一方面想要保持能量转换的综合效率,同时还希望减小设备的尺寸;另一方面是保护尺寸不变,大幅度提高效能。

在交流/直流(AC/DC)变换中,低的通态电阻,符合计算机和电信应用中更加高效适配器和电源的需要。在电源电路设计方面,一般待机能耗已经降到1W以下,并可将电源效率提高至90%以上。要进一步降低现有待机能耗,则需要有新的IC制造工艺技术及在低功耗电路设计方面的突破。

越来越多的系统会需要多输出稳压器。例如带多输出和电源通路控制的锂离子充电电池,多输出 DC/DC转换器和具有动态可调输出电压的开关稳压器等。

电源管理IC的智能化,包括从电源控制到电量监测与电池管理。

4、电源管理IC应用领域     电源管理IC应用在便携式产品(手机、数码相机、笔记本电脑、MP3播放器、移动硬盘等)、数字消费类电子产品(高清晰度电视机、LCD电视机和面板、DVD播放机)、计算机、通信网络设备、工业设备和汽车电子。其中消费类电子产品是电源管理芯片的最大应用领域。

四、结论   当代许多高新技术均与电网的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换与控制相关。电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理,特别是能够实现大功率电能的频率变换,从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。电源集成电路的发展,把电源技术推向了电源管理的新时代。电源技术及其产业的进―步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段,并为现代生产和现代生活带来深远的影响。





26.MOS电路

半导体材料

一、半导体材料

半导体单晶

1.硅单晶

2.锗单晶

3.化合物单晶

半导体片材

1、其他半导体片材

2、半导体外延片

3、半导体抛光片

半导体封装材料

7、封装用模塑料粉及辅料

2、键合用硅铝丝

3、封装用金属管壳

6、集成电路塑封引线框架及金属带材

8、其他半导体封装材料

1、键合用金丝

4、封装用陶瓷外壳

5、分立器件塑封引线框架及金属带材l料

电子元件材料

一、电子元件材料

(六)电解二氧化锰粉

(四)电子光学玻璃

(二)纸基敷铜板

(一)纸绝缘板

(七)电容器用铝箔材料

(五)专用钢丝

(三)玻璃布基敷铜板

电源电路

1、普通稳压电路

2、开关电源控制电路

3、DC-DC变换器

4、其他电源电路

(六)专用电路

其中:大规模专用电路

电视机电路

1.黑白电视机电路

2.彩色电视机电路

3、电子钟表电路

4、电子玩具电路

5、马达稳速电路

6、遥控器发射/接收电路

7、家用电器专用电路

8、显示驱动电路

9、计算器电路

大规模接口电路

1、转换电路(A/D、D/A、V/F、F/V等)

2、驱动电路

(二)其他器件

1、半导体制冷器件

2、其他器件

四、电力半导体器件(5A以上)

(一)整流二极管

(二)普通晶闸管

(三)双向晶闸管

(四)快速晶闸管

(五)高频晶闸管

(六)巨型晶体管(GTR)

(七)可关断晶闸管(GTO)

(八)晶闸管模块

(九)绝缘栅双极晶体管(ZGBT)

(十)功率MOS场效应管

(十一)固态继电器模块

(十二)静电感应器件(SIT)

(十三)其他电力半导体器件

集成电路

一、集成电路

其中:大规模集成电路

(一)双极数字电路

1、TTL电路

(1)SLTTL电路

(2)其他TTL电路

2、ECL电路

3、门阵列电路

4、其他双极数字电路

(二)MOS数字电路

其中:大规模MOS数字电路

1、CMOS电路

2、NMOS电路

3、BICMOS电路

4、门阵列电路





27.

高频开关电源工作原理概述

高频开关电源的工作原理是功率变换。

当开关S闭合时,电流流过电感L,在负载RL两端产生输出电压。由于输入电压的极性关系,二级管VD1处于反向配置,此时L储存能量。当开关S打开时,电感L的磁场极性发生变化,储存在L中的能量通过负载RL释放,二极管VD1正向导通,负载两端的电压极性仍保持不变。二级管VD1因其在电路中的作用而被称为续流二极管

当开关S闭合时,输入回路有电流输入,而当开关打开时,则电流突然终止。但由于电感L和续流二级管VD1的作用,输出电流是连续的。电感L和电容C同时还起到滤波的作用,从而使RL上的电压更加平滑。

在实际应用中,起到开关使用的是开关晶体管。同时在图—1的电路中,输入和输出回路之间缺少安全隔离措施,因而一般采用高频变压器作为隔离器件 。

VT1是一开关晶体管,其基极用一方波S1控制。S1为高电平时,VT1导通,在变压器T的初级产生电源,并储存了能量。由于变压器的次级与初级同相,所有数量也传递到了变压器次级。电流流过正向偏置的二级管VD2和电感L,能量传递给负载RL,同时电感L中储存了能力。此时二极管VD1处于反向偏置。

当S1为低电平时,VT1截止,变压器T绕组中的电压反向,二极管VD2截止,续流二极管VD1导通,存储在电感L中的能量继续传递给负载RL。

显然,输出电压VRL=V2×Ton/T=V2×X  其中X=Ton/T为占空比;Ton为VT1的导通时间,改变脉冲占空比δ,即可改变输出电压(或电流)。

由此可以看出,开关电源是一种功率转换装置 。

以上简单介绍了高频开关电源的工作原理、读者不难看出它是集功率转移技术与脉宽调制技术于“—体的高技术产物,是当代电力电子学理论发展的最新体现。一经问世,即受到广泛关注并得到空前迅速的发展。在国际上,高频开关电源已在直流电源领域无可争议地居于首要地位。在国内,以北京浩源电源设备有限公司为代表的HY系列高频开关电源也异军突起,以优异的性能、可靠的品质和完善的服务与各种国际名牌共舞于市场经济的舞台。

电网供电经EMI滤波后。再经硅桥整流和滤波电路滤波,成为直流电。这里,滤波电路只用一个电路C1代表。辅助电源将交流电通过整流滤波后,变成低压的直流电,并给控制电路供电。功率MOS管V1和V2作为开关元件。控制电路产生一固定频率的脉冲宽度可调的方波(PWM)。该方波控制V1和V2的导通与关闭。

总结:

高频开关电源作为新一代产品,已经在中小功率方面形成规模产品,其市场覆盖率日益扩大。大功率方面,高频开关电源还受到一定的限制。但这并不意味着高频开关电源没有进入大功率范围的可能,相反,这很可能是它的发展方向。虽然高频开关电源单机容量目前还受到器件、材料的限制,但是,随着电源并联技术的提高,电子器件的发展,多组并联的大功率高频开关电源已不是梦想。在这方面,北京浩源电源设备有限公司做了十分有益的尝试,据了解,该公司已经可以生产七万二千瓦的高频开关电源。随着科学技术的发展,单机大的功率高频开关电源一定会在不远的将来进入市场,走近我们。






28.MOS管基本知识

MOS管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,英文:MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor),属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。

其结构示意图:

解释1:沟道

下面图中,下边的p型中间一个窄长条就是沟道,使得左右两块P型极连在一起,因此mos管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻,选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。

解释2:n型

下图表示的是p型mos管,读者可以依据此图理解n型的,都是反过来即可。因此,不难理解,n型的如图在栅极加正压会导致导通,而p型的相反。

解释3:增强型

相对于耗尽型,增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通,如图。栅极电压越低,则p型源、漏极的正离子就越靠近中间,n衬底的负离子就越远离栅极,栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时,由p型游离出来的正离子连在一起,形成通道,就是图示效果。因此,容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通,电压越低,通道越厚,导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比,因此,电场强到一定程度之后,电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产,在市面基本见不到。所以,大家平时说mos管,就默认是增强型的。

解释4:左右对称

图示左右是对称的,难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上,源极和漏极确实是对称的,是不区分的。但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管,起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极,这样,封装也就固定了,便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管。非常容易被静电击穿,平时要放在铁质罐子里,它的源极和漏极就是随便接。

解释5:金属氧化物膜

图中有指示,这个膜是绝缘的,用来电气隔离,使得栅极只能形成电场,不能通过直流电,因此是用电压控制的。在直流电气上,栅极和源漏极是断路。不难理解,这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的,1角人民币左右买一个,而2402等在十毫欧级的,要2元多(批量买。零售是4元左右)。

解释6:与实物的区别

下图仅仅是原理性的,实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极。实际的元件,p型的,衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压,因此p型的管子,栅极不用加负电压了,接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道,严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的,应用时抛开了负电压。

解释7:寄生电容

下图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容,越是高品质的mos,膜越薄,寄生电容越大,经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一,必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断,经常被要求数十K乃至数M的开关频率,在这种用途中,栅极信号具有交流特征,频率越高,交流成分越大,寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,也是这个道理。试想,弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间,就会产生上升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作。

解释8:如何工作在放大区

Mos管也能工作在放大区,而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用mos管工作在放大区,由于mos管的特性,当沟道处于似通非通时,栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大,当然,随频率增加阻抗就越来越小,一定频率时,就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。

解释9:发热原因

Mos管发热,主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗,形成电流。有电流就有发热,并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时,导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时,导通电阻很大,发热比较厉害。第三个原因是导通后,沟道有电阻,过主电流,形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护,所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是150摄氏度。超过此温度,mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。




29.MOS原理

场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高(108~109Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中,应用最为广泛的是MOS场效应管,简称MOS管(即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET);此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管,以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。

按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分,场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。

MOS场效应晶体管在使用时应注意分类,不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿,使用时应注意以下规则:

(1).MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装

(2).取出的MOS器件不能在塑料板上滑动,应用金属盘来盛放待用器件。

(3). 焊接用的电烙铁必须良好接地。

(4). 在焊接前应把电路板的电源线与地线短接,再MOS器件焊接完成后在分开。

(5). MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

(6).电路板在装机之前,要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子,再把电路板接上去。

(7). MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下,最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。






30.MOS管工作详解

集成电路 设计与制造的主要流程 集成电路设计与制造的主要流程框架 引 言 半导体器件物理基础:包括PN结的物理机制、双极管、MOS管的工作原理等 器件 小规模电路 大规模电路 超大规模电路 甚大规模电路 电路的制备工艺:光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序 集成电路设计:另一重要环节,最能反映人的能动性 结合具体的电路,具体的系统,设计出各种各样的电路 引 言 什么是集成电路?(相对分立器件组成的电路而言) 把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上,整个电路就在这个芯片上,把这个芯片放到管壳中进行封装,电路与外部的连接靠引脚完成。 什么是集成电路设计? 根据电路功能和性能的要求,在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下,尽量减小芯片面积,降低设计成本,缩短设计周期,以保证全局优化,设计出满足要求的集成电路。 设计的基本过程 (举例) 功能设计 逻辑和电路设计 版图设计 集成电路设计的最终输出是掩膜版图,通过制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。 设计与制备之间的接口:版图 主要内容 IC设计特点及设计信息描述 典型设计流程 典型的布图设计方法及可测性设计技术 设计特点和设计信息描述 设计特点(与分立电路相比) 对设计正确性提出更为严格的要求 测试问题 版图设计:布局布线 分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计 高度复杂电路系统的要求 什么是分层分级设计? 将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别,这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别;这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低,也就是说,能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说,级别越高,抽象程度越高;级别越低,细节越具体 从层次和域表示分层分级设计思想 域:行为域:集成电路的功能 结构域:集成电路的






31.LED 灯

LED驱动电源设计并不难,但一定要心中有数。只要做到调试前计算,调试时测量,调试后老化,相信谁都可以搞好LED。

1、LED电流大小

大家都知道LEDripple过大的话,LED寿命会受到影响,影响有多大,也没见过哪个专家说过。以前问过LED厂这个数据,他们说30%以内都可以接受,不过后来没有经过验证。建议还是尽量控制小点。如果散热解决的不好的话,LED一定要降额使用。也希望有专家能给个具体指标,要不然影响LED的推广。

2、芯片发热

这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA,300V的电压加在芯片上面,芯片的功耗为0.6W,当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率mos管的消耗,简单的计算公式为I=cvf(考虑充电的电阻效益,实际I=2cvf,其中c为功率MOS管的cgs电容,v为功率管导通时的gate电压,所以为了降低芯片的功耗,必须想办法降低c、v和f。如果c、v和f不能改变,那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件,注意不要引入额外的功耗。再简单一点,就是考虑更好的散热吧。

3、功率管发热

功率管的功耗分成两部分,开关损耗和导通损耗。要注意,大多数场合特别是LED市电驱动应用,开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关,所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决:A、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管,因为内阻越小,cgs和cgd电容越大。如1N60的cgs为250pF左右,2N60的cgs为350pF左右,5N60的cgs为1200pF左右,差别太大了,选择功率管时,够用就可以了。B、剩下的就是频率和芯片驱动能力了,这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比,所以功率管发热时,首先要想想是不是频率选择的有点高。想办法降低频率吧!不过要注意,当频率降低时,为了得到相同的负载能力,峰值电流必然要变大或者电感也变大,这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大,可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式),这样就需要增加一个负载电容了。

4、工作频率降频

这个也是用户在调试过程中比较常见的现象,降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者,注意不要将负载电压设置的太高,虽然负载电压高,效率会高点。对于后者,可以尝试以下几个方面:a、将最小电流设置的再小点;b、布线干净点,特别是sense这个关键路径;c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感;d、加RC低通滤波吧,这个影响有点不好,C的一致性不好,偏差有点大,不过对于照明来说应该够了。无论如何降频没有好处,只有坏处,所以一定要解决。

5、电感或者变压器的选择

有些在相同的驱动电路,用a生产的电感没有问题,用b生产的电感电流就变小了。遇到这种情况,要看看电感电流波形。有的工程师没有注意到这个现象,直接调节sense电阻或者工作频率达到需要的电流,这样做可能会严重影响LED的使用寿命。所以说,在设计前,合理的计算是必须的,如果理论计算的参数和调试参数差的有点远,要考虑是否降频和变压器是否饱和。变压器饱和时,L会变小,导致传输delay引起的峰值电流增量急剧上升,那么LED的峰值电流也跟着增加。在平均电流不变的前提下,只能看着光衰了。

同步整流技术是近几年研究的热点,主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。

此外,对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。





32.MOS管续流二极管

同步整流技术是近几年研究的热点,主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。

此外,对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。

l 工作原理

1 电路拓扑

双向同步整流电路拓扑如图1所示。当电路工作于正向Buck时,Sw作为主开关管,当Sw导通时,Sw关断,电感L储能;当Sw关断时,SR导通续流,电感L释能给输出负载供电。当电路工作于反向Boost升压电路时,SR作为主开关管,当SR导通时,Sw关断,电感L储能;当SR关断时,Sw导通续流,电感L释能给输出负载供电。

2 参数设计

设置电感L是为了抑制电流脉动,因此其设计依据是电流纹波要求。电容C1主要是为了在Boost电路Sw关断时,维持输出电压恒定,而电容C2主要是为了抑制Buck输出电压脉动,其设计依据是电压纹波要求,因此两个电容的参数设计并不一致。具体算式如下。

式中:Vg为Buck电路输入电压;

Vo为Boost电路输入电压;

D为Sw管的占空比:

△Q为对应输出电压纹波的电荷增量;

△Vo为Buck电路输出电压纹波要求;

△Vg为Boost电路输出电压纹波要求;

△lmin为Buck和Boost电路电流纹波要求的较小值;

I为电感电流。

2 驱动电路设计

单向驱动脉冲的要求

双向直流变换电路的工作原理同传统的Buck及Boost变换器类似,当主开关管导通时,续流管关断,当主开关管关断时,续流管导通工作。所以两管驱动脉动应互补,同时为了防止共通,发生短路而烧毁器件,必须设置死区。

双向恒压控制的驱动设计

当采用恒压型控制时,Buck和Boost电路各自的被控电压随主开关管的占空比D的变换逻辑刚好相反,因此,为了实现双向直流变换,还须增加一个控制脚,以切换两种工作模式下主开关管的定义,实现方法是交换两路控制脉冲,用逻辑电路来实现,逻辑表达式为:

当,电路工作在正向Buck模式;相反,当K=0时,,SR=DB,电路工作在反向Boost模式。

根据上面的分析,图6给出了双向恒压控制的控制驱动脉冲实现电路。

最后,需要指出的是,采用数字控制,系统更简单,控制更灵活,抗干扰特性强,系统维护也方便,但考虑到单片机或DSP,数字信号处理器成本相对较高,故以上双向同步整流变换控制的分析设计采用硬件电路实现。

4 结语

本文是在Buck同步整流的基础上,充分利用电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器的特点,提出了双向DC/DC变换,而并针对双向恒压控制和恒流控制两种不同的控制方式,分析了对驱动电路的要求,并给出了各自驱动脉冲的实现方法。实验结果与理论分析吻合。





33.MOS管集成电路

在集成电路的设计中,电阻器不是主要的器件,却是必不可少的。如果设计不当,会对整个电路有很大的影响,并且会使芯片的面积很大,从而增加成本。

目前,在设计中使用的主要有3种电阻器:多晶硅、MOS管以及电容电阻。在设计中,要根据需要灵活运用这3种电阻,使芯片的设计达到最优。1多晶硅电阻

集成电路中的单片电阻器距离理想电阻都比较远,在标准的MOS工艺中,最理想的无源电阻器是多晶硅条。一个均匀的平板电阻可以表示为:

式中:ρ为电阻率;t为薄板厚度;R□=(ρ/t)为薄层电阻率,单位为Ω/□;L/W为长宽比。由于常用的薄层电阻很小,通常多晶硅最大的电阻率为100Ω/□,而设计规则又确定了多晶硅条宽度的最小值,因此高值的电阻需要很大的尺寸,由于芯片面积的限制,实际上是很难实现的。当然也可以用扩散条来做薄层电阻,但是由于工艺的不稳定性,通常很容易受温度和电压的影响,很难精确控制其绝对数值。寄生效果也十分明显。

无论多晶硅还是扩散层,他们的电阻的变化范围都很大,与注入材料中的杂质浓度有关。不容易计算准确值。由于上述原因,在集成电路中经常使用有源电阻器。

2MOS管电阻

MOS管为三端器件,适当连接这三个端,MOS管就变成两端的有源电阻。这种电阻器主要原理是利用晶体管在一定偏置下的等效电阻。可以代替多晶硅或扩散电阻,以提供直流电压降,或在小范围内呈线性的小信号交流电阻。在大多数的情况下,获得小信号电阻所需要的面积比直线性重要得多。一个MOS器件就是一个模拟电阻,与等价的多晶硅或跨三电阻相比,其尺寸要小得多。

简单地把n沟道或p沟道增强性MOS管的栅极接到漏极上就得到了类似MOS晶体管的有源电阻。对于n沟道器件,应该尽可能地把源极接到最负的电源电压上,这样可以消除衬底的影响。同样p沟道器件源极应该接到最正的电源电压上。此时,VGS=VDS,如图(a),(b)所示。

图(a)的MOS晶体管偏置在线性区工作,图2所示为有源电阻跨导曲线ID-VG S的大信号特性。这一曲线对n沟道、p沟道增强型器件都适用。可以看出,电阻为非线性的。但是在实际中,由于信号摆动的幅度很小,所以实际上这种电阻可以很好地工作。根据公式

其中:K′=μ0C0X。可以看出,如果VDS<(VGS-VT),则ID与VDS之间关系为直线性(假定VGS与VDS无关,由此产生一个等效电阻R=KL/W,K=1/[μ0C0X(VGS-VT)],μ0为载流子的表面迁移率,C0X为栅沟电容密度;K值通常在1 000~3 00 0Ω/□。实验证明,在VDS<0.5(VGS-V T)时,近似情况是十分良好的。

图中虽然可以改进电阻率的线性,但是牺牲了面积增加了复杂度。

用有源电阻得到大的直流电压需要大的电流,或者远小于1的W/L比值。可以采用级连的方法克服这一问题即将每一级的G,D与上一级的S相连。这样可以使W/L接近于1且使用较小的直流电流。

在设计中有时要用到交流电阻,这时其直流电流应为零。图1所示的有源电阻不能满足此条件,因为这时要求其阻值为无穷大。显然这是不可能的。这时可以利用MOS管的开关特性来实现,图中所示。MOS开关的特性近似为直线,没有直流失调。这时通过控制栅源之间的电压值就可以得到ΔV为1 V的线性交流电阻。

为了尽可能夸大线性区并抵消体效应,电阻往往以差动方式成对出现,如图3(b)所示的一 对差动结构的交流电阻。注意,加到电阻器左边的是差动信号(V1);右边则处于相同电位。

3电容电阻

交流电阻还可以采用开关和电容器来实现。经验表明,如果时钟频率足够高,开关和电容的组合就可以当作电阻来使用。其阻值取决于时钟频率和电容值。

一种电阻模拟方法,称为“并联开关电容结构”。在特定的条件下,按照采样系统理论,可以近似为图4(b)所示的电阻。其中V1和V2为两个独立的直流电压源,其按照足够高的速率采样,在周期内的变化可忽略不计。通过计算可得:

其中,fc=1/T是信号Φ1和Φ2的频率。

这种方法可以在面积很小的硅片上得到很大的电阻。例如,设电容器为多晶硅多晶硅型,时钟频率100 kHz,要求实现1 MΩ的电阻,求其面积。根据式(3)可知电容为10 pF。假设单位面积的电容为0.2 pF/mil2,则面积为50 mil2。如果用多晶硅,取最大可能值100 Ω,并取其最小宽度,那么需要900 mil2。当然在开关电容电阻中除了电容面积外还需要两个面积极小的MOS管做开关。可以看出,电容电阻比多晶硅电阻的面积少了很多。而在集成电路设计中这是十分重要的,虽然增加了2个MOS管,但与所减少的面积相比是可忽略的。实际上所节省的面积远不止此,因为多晶硅条的电阻率很难达到100 Ω/□。当然,利用电容实现电阻还有其他的方法,在此不再赘述。

4结语

本文集中讨论了怎样在物理层上实现电阻。实际上,MOS工艺在这方面提供了不少方便。这些电阻器可以与其他的元器件一起使用。使用开关和电容模拟电阻,可以减轻漏极电流受漏—源电压的影响。对于电容电阻器,由于其电阻值与电容大小成反比,因此有效的RC时间常数就与电容之比成正比,从而可以用电容和开关电容电阻准确的实现电路中要求的时间常数;而使用有源器件的电阻,可以使电阻尺寸最小。多晶硅电阻则是最简单的。在设计中要灵活运用这三种不同的方式。




34.MOS管开关电路原理

开关电源基于自身的体积小巧和转换效率高的特点已在电子产品中得到了广泛的应用,特别是美国PI公司开发的TOPSwitch系列高频开关电源集成芯片的出现,使电路设计更为标准成熟、简洁便捷。但该TOPSwitch系列的集成芯片其典型输入电压设计为不高于275V的情况下工作,在工业现场,电网的电压往往受用电负载的变化而变动,特别是负载较大时情况尤其严重,另外现场环境的干扰尖峰也会叠加在输入电压上一起进入电源电路,致使在恶劣环境下正常供电的电源芯片或其它的元件极其容易损坏。超宽范围输入的电源可在输入80~400V的范围内正常工作,同时也为现场任意采用220V相电压或380V线电压,还是一次高压互感器出来的100V电压,均可直接使用提供了方便。

电路原理图

1)前端电路设计

当输入电压要求为AC400V时,考虑输入时电源的波动变化为±15%,则最高输入电压将达到460V左右,此输入电压经整流滤波后,其电压可达650V左右,再考虑加上输出反馈的电压Uor和漏感形成的尖峰电压叠加后其最高电压将超过800V,而该芯片的最高电压为700V,为了保证TOP242能正常安全工作,在设计前端电路时增加了一个MOS管,让MOS管与TOP242串接,并实现与TOP管同步开关来提高整体耐压。本设计采用的MOS管是IR公司的IRFBC20,其耐压为600V,导通关断时间为几十个ns,这可以大大减少开关损耗。MOS管的通断由TOP242N控制,这样可以使MOS管和TOP242N内部的开关管时序保持一致,见图1。

2)外围控制电路设计

该电路将TOP242N的极限电流设置为内部最大值,将TOP242N设为全频工作方式,开关频率为1 32kHz,把多功能脚M与S短接。

3)稳压反馈电路设计

反馈回路的形式由输出电压的精度决定,本设计采用“光耦加TL431”的反馈方式,见图1。它可以将输出电压的变动控制在±1%以内,反馈电压由5V输出端取样。电压反馈信号通过电阻分压器R10、 R11获得取样电压后,将与TL431中的2.5V基准电压进行比较并输出误差电压,然后通过光耦改变TOP242N的控制端电流Lc,再通过改变占空比来调节输出电压使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。尖峰电压经R8、C4滤波后,可使偏置电压即使在负载较重时,也能保持稳定,调节电阻R10、R11可改变输出电压的大小。

4)高频变压器设计

一般应选用能够满足高频开关的锰锌铁氧体磁心,为便于绕制,磁心形状可选用EI或EE型,变压器的初、次级绕组应相间绕制。高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量,因此计算较为复杂,为减轻设计者的工作量,PI公司为TOPSwitch开关电源的高频变压器设计制作了专用的设计软件,设计者可以方便地应用该软件设计高频变压器。

5)次级输出电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波,但肖特基二极管应加上功率较大的散热器;电容器一般应选择低ESR等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果,滤除高频开关过程所产生的电压噪声和电压尖峰,在整流滤波环节的后面通常应再加一级LC滤波环节。

6)保护电路设计

为了保护电源在瞬间高压下能正常工作,在电源的输入端还设计了附加的过电压保护措施,见图1,即在输入端并接了较大功率的压敏电阻,并且在后级加上共模电感和负温度系数的热敏电阻,可有效的抑制开机瞬间的电压浪涌冲击。为防止在开关周期内,TOP242N关断时漏感产生的尖峰电压使TOP242N损坏,电路中设计了由钳位齐纳管VD5、阻断二极管VD6组成的保护网络。该网络在正常工作时,VD5上的损耗很小;而在启动或过载时,VD5即会限制漏极电压。

2 电源性能测试及结果分析

根据以上设计方法,对采用TOP242N设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明,该电源在交流输入60~500V时,且在60°高温条件下,电源都能可靠稳定工作,电源的效率约为85%以上,纹波电压、输出电压稳定精度都在规定的范围内。在EMC测试中,浪涌±4000V,快速脉冲群土4000V也能正常工作,各项性能指标经测试均较满意。

3 结束语

如本文所述,由于在前端设计时增加了串接的场效应管同步开关,有效地提高了开关电源在工业现场各种环境下工作的可靠性和便利性,实用性能强。本文的设计原理可应用在TOPSwitch系列或其它系列的电源集成芯片的耐压扩展,有较好的应用效果。





35.LED灯的工作原理

“低碳”生活是目前倡导的一种观念,对于照明来说,LED的应用就是具体体现。LED具有环保、节能、效率高、寿命长、安全可靠的优势,为此,必须了解LED的使用条件、工作原理、驱动方法和典型应用。

LED工作原理要设计驱动电路,首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要与VF、IF有关。LED的伏安特性见图1,其中VF是LED的正向压降、IF是正向电流。当正向电压超过阈值(即导通电压,如图约1.7V)时,可近似认为IF与VF成正比。由图可知,LED的最高IF可达1A,而VF通常为2 V~4V。ttings/kevin/Local%20Settings/Temporary%20Internet%20Files/Content.IE5/I1DYVM58/1(22)[1].gif">


LED的VF与IF 的关系 LED的正向压降变化范围比较大(可达1V以上),而由上图中的VF-IF曲线可知,VF的微小变化会引起IF较大的变化,从而引起亮度的较大变化。所以,通常LED的发光特性都用电流的函数来描述,而不是电压的函数。但一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化,由此可知,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的特性。因此,LED驱动通常采用恒流源驱动。

3 LED驱动技术 由LED的工作原理知道,要使LED保持最佳的亮度状态,需要恒流源来驱动。驱动的任务既要保持恒流特性,还要保持较低的功耗。为了满足以上要求,通常采用的控制电流的方法有:通过调节限流电阻的大小实现控制电流;通过调节限流电阻上的基准电压来调节电流;PWM调制实现电流控制。LED的驱动技术与开关电源中应用的技术十分类似,LED驱动电路是一种电源转换电路,但输出的是恒定电流而非恒定电压。无论在任何情况下,都要输出恒定而平均的电流,纹波电流要控制在一定的范围内。

⑴ 限流法  电网电压通过降压、整流、滤波后,通过电阻限流使LED稳定工作。这种电路的致命缺点是:电阻R上的功耗直接影响了系统的效率,再加上变压器损耗,系统效率约50%。当电源电压在±10%的范围内变动时,流过LED的电流变化将≥25%,LED上的功率变化超过30%。电阻限流的优点是设计简单、成本低、无电磁干扰;但是电流会随着VF的变化而改变亮度,效率很低,散热难。

⑵ 稳压法 一个集成稳压元件MC7809,使输出端的电压基本稳定在9V,限流电阻R可用得很小,不会造成LED的电压不稳。但是,此电路效率还是低。因为MC7809和R1上的压降仍占很大比例,其效率约为40%左右。这就称不上是节能照明产品。为了达到既能使LED稳定工作,又能保持高的效率,应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。线形稳压法的优点是结构简单、外部元件少、效率中等、成本较低。

⑶ PWM法 PWM脉宽调制,即用脉宽调制的方法,改变LED驱动电流的脉冲占空比来控制光的亮度。是利用简单的数字脉冲,反复开关LED驱动器的调光技术。使用者只需提供宽、窄不同的数字脉冲,即可实现改变输出电流,从而调节白光LED的亮度。此驱动电路的特点是,通过一个电感器将能量传递给负载,通常是用一个PWM控制信号,对MOSFET晶体管触发导通和关断来实现。通过改变PWM的占空比和电感器的充放电时间,对输入电压和输出电压的比率进行调节。这类电路常见的结构包括降压、升压、降压-升压等类型。优点是高效、稳定,但容易产生人耳听得见的噪声,成本高,设计复杂。

4 .PWM信号

经过三极管VQ1的基极连接到P沟道MOS管的栅极上。P沟道MOS管的栅极驱动,采用简单的NPN三极管驱动放大电路,以改善MOS管的导通过程,减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动MOS管时,会引起被驱动MOS管的快速开通和关断,这就可能造成被驱动MOS管漏源极间电压的振荡。一则引起射频干扰,二则有可能造成MOS管遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题,需在被驱动MOS管的栅极与驱动电路的输出之间串联一只无感电阻。当PWM波输出高电平时,三极管VQ1导通,从而使MOS管的栅极电压低于源极电压,MOS管的源极和漏极导通,LED点亮。当PWM波输出低电平时,VQ1截止,LED熄灭。




36.

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

开关电源的电路组成方框图如下:

二、 输入电路的原理及常见电路

1、AC 输入整流滤波电路原理:

① 防雷电路:当有雷击,产生高压经电网导入电源时,由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时,其阻值降低,使高压能量消耗在压敏电阻上,若电流过大,F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。

②输入滤波电路:C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制,防止对电源干扰,同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间,要对 C5充电,由于瞬间电流大,加RT1(热敏电阻)就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上,一定时间后温度升高后RT1阻值减小(RT1是负温系数元件),这时它消耗的能量非常小,后级电路可正常工作。

③ 整流滤波电路:交流电压经BRG1整流后,经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小,输出的交流纹波将增大。


2、 DC 输入滤波电路原理:

①输入滤波电路:C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制,防止对电源干扰,同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容,L2、L3为差模电感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间,由于 C6的存在Q2不导通,电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象,在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大,Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通,RT1将会在很短的时间烧毁,以保护后级电路。


三、 功率变换电路

1、MOS管的工作原理:目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET(MOS管),是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态,所以输入电阻可以大大提高,最高可达105欧姆,MOS管是利用栅源电压的大小,来改变半导体表面感生电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。

3、工作原理:R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器,和开关MOS管并接,使开关管电压应力减少,EMI减少,不发生二次击穿。在开关管Q1关断时,变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流,这些元件组合一起,能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制,因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时,UC3842停止工作,开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络,电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小,易引起振荡,电磁干扰也会很大;R1过大,会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下,从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波,当其占空比越大时,Q1导通时间越长,变压器所储存的能量也就越多;当Q1截止时,变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量,同时也达到了磁场复位的目的,为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小,从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。

开关电源电路组成及原理详解


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